儲氫材料的案例
劉名瑞 等：基于物理吸附儲氫材料的研究進展
物理吸附儲氫技術雖然具有明顯的技術瓶頸，但與其他儲氫技術結合形成復合儲氫體系，仍然具有很好的協同效應，幫助提高儲氫效率、改善吸放氫動力學和熱力學性能，是儲氫領域必要的技術分支。
關鍵詞 儲氫；物理吸附；碳基材料；有機骨架；水合物
作為替代石油、煤炭等化石能源的主要清潔能源之一，氫能技術的發展迎來了很大的機遇與挑戰。氫儲運是氫能源大規模應用的前提，尤其作為移動應用端的清潔能源汽車，目前主要采用的是高壓氣態存儲，面臨的主要問題是質量儲氫密度低和存在安全風險等。因此，氫氣的商業化、規模化發展仍需要解決氫氣儲運的高密度、高安全性技術瓶頸。現有氫儲運技術包括高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫、有機液態儲氫和固態儲氫，其中固態儲氫的材料又可以根據氫氣與材料的鍵合能力及化學鍵類型分為3類：①物理吸附材料，氫氣通過物理吸附的方式以分子形態儲存在材料中，吸附能力一般較弱；②化學吸附材料，氫氣在材料表面解離后，通過共價鍵、金屬鍵、配位鍵等方式與材料元素形成新的化合物，結合牢固，放氫難；③復合儲氫材料，將物理吸附材料與化學吸附材料結合形成復合體系，通常利用納米化、添加催化劑等方式可以進一步提升儲氫性能。可見，物理吸附儲氫技術是氫儲運技術中一個重要的分支，通過研究物理吸附儲氫體系的種類、技術特點和未來發展趨勢可以為未來氫氣儲運的多元化提供技術路線，也為氫氣向商用、民用領域發展提供解決思路。
1 碳基材料物理吸附儲氫
碳基儲氫材料主要包括活性炭、石墨烯、碳納米管、介孔碳和碳氣凝膠等。
展開 西安交大開發出高密度固態儲氫材料
氫能作為一種零碳排放的清潔能源，廣泛應用于航空航天、陸運水運等領域，但是氫氣易燃易爆，十分危險，稍有不慎便容易引發安全事故，所以儲氫技術是目前氫能大規模推廣應用的瓶頸。
“怎樣更好地儲存、利用氫能”是科學家們一直致力研究的問題。202
1年3月5日，2021年國務院政府工作報告中指出，扎實做好碳達峰、碳中和各項工作，制定2030年前碳排放達峰行動方案，優化產業結構和能源結構。
近日
，西安交通大學科研團隊開發出高密度固態儲氫材料——石墨烯界面納米閥固態儲氫材料，
可實現儲氫材料安全、可控、穩定釋氫，克服氫氣低溫釋放難題。相關成果被央視財經頻道節目《創業英雄匯》報道。
傳統的氫氣儲運主要通過高壓氣態法或低溫液態法實現，高壓氣態法對容器質量要求高、容易造成氫氣的泄露，安全性低。低溫液態法需要將氫氣冷卻至-200℃以下，成本昂貴，經濟性差導致適用范圍小。同時這兩種方法都必須使用笨重的罐體來承壓或保溫，造成了巨大的有效質量損失，導致總儲氫密度大幅降低。而近年來快速發展的常規固態儲氫材料將氫原子與金屬原子等結合實現氫的儲存，是一種更安全、高效的儲氫方式，但常規材料中氫的釋放存在條件苛刻、動力學緩慢、脫氫不完全、氫氣純度低、催化劑昂貴、催化劑中毒等難以克服的問題，同樣限制了其在商業領域的大規模應用。
針對此問題，西安交通大學電氣學院張錦英教授團隊開發了石墨烯界面納米閥固態儲氫材料，以高活性輕金屬氫化物為原材料，在不同組分界面建立石墨烯界面納米閥結構，通過界面納米閥非催化動力學調控機制實現儲氫材料安全、可控、穩定釋氫。
展開 深圳大學Nature子刊：納米儲氫材料用于“氫熱抗癌治療”
—納米儲氫材料用于“氫熱抗癌治療”
眾所周知，氫氣是一種易燃易爆的氣體（爆炸的濃度范圍4.0%～75.6%），長期被認為是一種生物惰性的氣體。但最近大量的研究結果表明，在生理環境中，氫氣是一種具有生物安全性的內源性信號分子，被認為是一種還原性穩態調節劑，對炎癥和氧化相關的諸多疾病都展現出一定的療效，如癌癥、缺血再灌注損傷、心血管疾病、神經退行性疾病、呼吸系統疾病、皮膚病、膿毒癥等。
但氫氣的溶解度較低，且在體內可任意擴散，因此直接吸入氫氣或是注射/飲用富氫水，通常很難使氫氣分子有效到達并大量蓄積在深層病灶組織，經常導致治療效果有限。如何實現氫的有效存儲、靶向遞送和控制釋放對提高氫治療效果具有重要意義，但是目前仍然充滿挑戰。近年來，深圳大學何前軍教授課題組提出了納米材料輔助氣體治療的策略，借助納米材料的功能特性解決氣體治療方面的問題，開拓了“納米氣體治療”研究領域。
成果簡介
近日，何前軍教授帶領的“先進納米藥物課題組”與美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）顧臻教授課題組合作，研發了一種用作腫瘤治療的“儲氫材料”—— 在近紅外光刺激下響應性釋放氫氣并產生熱量，以提升殺滅腫瘤細胞的療效及選擇性。該研究首次提出了“氫熱治療”的概念，在多種細胞和小鼠模型上初步驗證了氫氣和高熱對腫瘤細胞的協同增效抗癌機制、及對正常細胞的減毒保護功效。團隊通過設計合成一種新型氫化鈀納米材料，實現了利用近紅外光局部控制氫氣的釋放并有效產熱，并實現了光熱成像/光聲成像引導氫熱治療，可潛在地對多種腫瘤實現高效、低毒的治療。該氫熱療法潛在為設計開發新型抗癌藥物提供了新的思路和理論支持，對促進氫分子醫學的臨床轉化有著積極意義。
展開 我國新突破！氫氣變身“固態油箱”，用完就換，可以行駛120公里
這些合金材料與氫氣在低溫的條件下發生化學反應，氫氣在其表面分解為氫原子。合金材料內部有大量細微的晶格，氫原子擴散進入到晶格內部空隙中，形成金屬氫化物。
想要把氫原子“釋放”出來也很簡單，只需施加一定熱量儲氫材料就可以析出氫氣。
周少雄告訴記者，目前公司開發的低溫固態儲氫材料可以存儲體積上百倍的氫氣，因而其儲氫密度比液氫還高。這些合金材料性能非常穩定，不會燃燒爆炸，可逆性好，重復使用不低于5000次。
“以我們開發的一種新型儲氫材料為例，主要成分是鎂和稀土元素鑭、鈰等，在爐中熔化冶煉，冷卻成型，再破碎成粉末就可以了。”周少雄說，鎂是自然界普遍存在的一種元素，鑭、鈰在稀土元素中儲量豐富，因此綜合成本已逼近鋰電池。
近年來，世界各國在固態儲氫應用和新型儲氫材料的研發上取得了諸多進展，成熟的儲氫材料已在熱電聯供、儲能、摩托車載燃料電池用氫源系統等多個領域得到應用，德國一家公司甚至將固態儲氫系統用于燃料電池潛艇中。
據周少雄介紹，最新的含鎂儲氫材料，儲存容量可110千克/米3，遠超美國能源局提出的儲氫“終極目標”，但是制約其應用的缺點是放氫溫度過高，達250℃以上。目前，科學家正通過各種方法來調控其熱力學、動力學和循環壽命性能，爭取早日實現商用。
無需補貼，
這些應用場景將可商用
日本豐田、韓國現代等企業投入巨資、耗時數十年研發氫能源汽車，但受制于加氫站建設的瓶頸，市場推廣并不順利。
“由于氫能儲運問題沒有解決，燃料電池成本較高，所以氫能源汽車還處在政府補貼、示范運行的階段。”周少雄說，當固態儲氫材料得到發展后，氫能利用將會有極大地改變。
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一文搞懂ANSYS_ACP復雜實體模型復合材料纏繞鋪層設計（Ⅳ型儲氫罐高精度建模及壓力作用分析） ￥99.66
氫氣因其零排放特性而被認為是能源的終極形式，氫燃料電池汽車也以其零排放的特點成為未來汽車的發展趨勢，用于存儲高壓氫氣的儲氫氣瓶是燃料電池汽車必不可少的關鍵零部件之一。根據儲氫罐的結構，它可以分為四種類型。I型儲氫罐是一種金屬氣缸，其重量大、儲存壓力低。II型的特點是在金屬襯套外部增加了環箍繞組，與I型相比，重量減輕，壓力增加。III型在金屬襯套周圍完全包裹碳纖維，并進一步加強圓頂部分，減輕重量，從而獲得更大的承壓能力。IV型和III型的區別在于，IV型儲氫罐中使用了塑料襯套，再次降低了成本和重量，其氫氣儲存壓力可高達70MPa。
ANSYS ACP是一款專用的復合材料前后處理工具，在前處理鋪層信息定義和后處理結果查看環節中都有著簡潔高效和人性化的設置操作，但限于儲氫罐的幾何模型復雜、鋪層角度多變、圓頂處不規則加厚等特點，其實體模型的復材纏繞鋪層設置較有難度，本文旨在基于ANSYS Workbench平臺建立等比例、高精度的Ⅳ型儲氫罐復合材料實體模型，并將其與Static Structural聯合使用以分析其在60MPa壓力作用下的變形、應力、應變等信息。其中詳述了ANSYS ACP在復合材料鋪層設計中的操作流程及變角度、變厚度、實體貼合碳纖維鋪層等內容，為Step by Step可復現教程文檔，借助此過程可掌握復雜實體模型的復材鋪層設計技術，另外本文所采用的儲氫罐模型來源于真實Ⅳ型儲氫罐模型，亦可為儲氫罐設計應用提供技術支撐。
付費文件包含完整仿真流程文件一套、所使用的全部幾何文件和軟件逐步操作教程文檔一個。教程文檔十分詳細，共計51頁、7000余字，用戶可根據教程文檔進行學習以及逐步操作實現對Ⅳ型儲氫罐碳纖維復合材料的鋪層設計與仿真。
文檔教程收獲：
掌握ACP變角度、變厚度的復雜形狀實體復合材料纏繞鋪層設計技術。
展開 復合材料儲氫氣瓶
COMPOSITE 700 BAR-VESSEL FOR ON-BOARD COMPRESSED GASEOUS HYDROGEN STORAGE.pdf
一個350 bar的復合材料儲氫罐
基于Sika汽車法國公司、東麗碳纖維歐洲公司、MF Tech和Ullit之間的合作，一個Ullit 36L儲氫罐-350bar獲得EC/79/2009汽車應用的認可。鳳凰環氧樹脂127https://www.hongyantu.com/goodlist/sz/48285.html
在依據EC 79/2009要求的所有試驗中，這種配有閥門的4型復合材料罐，在經受了1000次氫氣從20bar到350bar的不間斷循環后，又經受了500小時的滲透試驗，所得的滲透結果為0.14～0.62 Ncm3/L/h，這比EC 79/2009法規要求的6 Ncm3/L/h 要好10倍，之后，沒有發現襯里坍塌，這也很重要。
這項成功合作的下一步是依據EC 79/2009法規對36L儲氫罐-70 Mpa進行認可。
展開 粉末冶金技術論文
粉末冶金技術論文
摘要：
粉末冶金(P/M)技術是一門重要的材料制備與成形技術，被稱為是解決高科技、新材料問題的鑰匙。高性能、低成本、凈近成形一直以來是粉末冶金工作者重要研究課題之一。粉末冶金法能實現工件的少切削、無切削加工，是一種高效、優質、精密、低耗節能制造零件的先進技術。
粉末冶金技術簡介
粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)作為原料，經過成形和燒結，制造金屬材料、復合材料以及各種類型制品的工藝技術。粉末冶金工藝的第一步是制取原料粉末，第二步是將原料粉末通過成形、燒結以及燒結后處理制得成品。粉末冶金的工藝發展已遠遠超過此范疇而日趨多樣化，已成為解決新材料問題的鑰匙，在新材料的發展中起著舉足輕重的作用。
粉末冶金技術有如下特點：
(1)可以直接制備出具有最終形狀和尺寸的零件，是一種無切削、少切削的新工藝，從而可以有效地降低零部件生產的資源和能源消耗；
(2)可以容易地實現多種類型的復合，充分發揮各組元材料各自的特性，是一種低成本生產高性能金屬基和陶瓷基復合材料的工藝技術；
(3)可以生產普通熔煉法無法生產的具有特殊結構和性能的材料和制品，如多孔含油軸承、過濾材料、生物材料、分離膜材料、難熔金屬與合金、高性能陶瓷材料等；
(4)可以最大限度地減少合金成分偏聚，消除粗大、不均勻的鑄造組織，在制備高性能稀土永磁材料、稀土儲氫材料、稀土發光材料、稀土催化劑、高溫超導材料、新型金屬材料具有重要的作用；
(5)可以制備非晶、微晶、準晶、納米晶和過飽和固溶體等一系列高性能非平衡材料，這些材料具有優異的電學、磁學、光學和力學性能；
(6)可以充分利用礦石、尾礦、煉鋼污泥、軋鋼鐵鱗、回收廢舊金屬作原料，是一種可有效進行材料再生和綜合利用的新技術。
展開 周樹輝 等：高壓氣態儲氫技術形勢分析
北京市的高校、科研院所和企業較多，技術創新布局和研發實力超前，在儲氫材料及其制備工藝、測試系統等諸多領域均有深入研究，是中國當前申請專利數量最多的省份，也是企業主要競爭對手所在的地區。
圖14 國內的技術分布情況
表6 各省市年度專利申請情況
4 結論
近年來，我國氫能產業發展加快，規模不斷增大。國家出臺一系列政策和標準鼓勵支持氫能發展。目前北京市、上海市、佛山市、河北省、浙江省、山東省等數十個省(市)和地區發布了氫能產業發展規劃/實施方案/行動計劃；《氫能產業發展中長期規劃(2021—2035年)》明確了氫的能源屬性，是戰略性新興產業的重點方向，是構建綠色低碳產業體系、打造產業轉型升級的新增長點，為氫能產業發展指明了方向。
（1）儲氫產業技術目前處于成長期，產品滲透率較低，技術研發有待快速、高質量突破。從儲氫技術成熟度、安全性和經濟性等方面來看，高壓氣態儲氫仍是當下儲氫方式的最優選擇，短中期高壓氣態儲氫仍是主流。該行業技術壟斷性整體處于較低水平，熱點技術主要集中在以高壓氣態儲氫容器、復合材料、鋁合金等方向的研究。未來還需向輕量化、高壓化、低成本、質量穩定的方向發展。纖維纏繞工藝所需的高分子復合材料具有減小儲氣瓶壁厚、提高容量和氫存儲效率等諸多優勢，故其性能及成本是高壓氣態儲氫瓶制備的關鍵。
展開 100000億氫能時代大幕拉開
儲氫技術
目前，氫氣的儲存主要有氣態儲氫、液態儲氫和固體儲氫三種方式、高壓氣態儲 氫已得到廣泛應用，低溫液態儲氫在航天等領域得到應用，有機液態儲氫和固態儲氫 尚處于示范階段。
氣態儲氫。高壓氣態儲氫具有充放氫氣速度快、容器結構簡單等優點，是現階段 主要的儲氫方式，氛圍高壓氫瓶和高壓容器兩大類。其中鋼制氫瓶和鋼制壓力容器技 術最為成熟，成本較低。20MPa 鋼制氫瓶已得到廣泛的工業應用，并于 45MPa 鋼制 氫瓶、98MPa 鋼帶纏繞式壓力容器組合應用于加氫站中。碳纖維纏繞高壓氫瓶的開 發應用，實現了高壓氣態儲氫瓶由固定式應用向車載儲氫應用的轉變。70MPa 碳纖 維纏繞 4 型瓶已經是國外燃料電池乘用車車載儲氫的主流技術，35MPa 碳纖維纏繞 3 型瓶目前仍是我國燃料電池商用車的車載儲氫方式，70MPa 碳纖維纏繞 3 型瓶已 少量用于我國燃料電池乘用車中。
液態儲氫。液態儲氫具有儲氫密度高等優勢，可分為低溫液態儲氫和有機液體儲 氫。低溫液態儲氫將氫氣冷卻至-253℃，液化儲存于低溫絕熱液氫罐中，儲氫密度可 達 70.6kg/m3，但裝置一次性投資較大，液化過程中能耗較高，儲存過程中有一 定 的蒸發損失，其蒸發率與處請關注容積有關，大儲罐的蒸發率遠低于小儲罐。國內產 能液氫已在航天工程中成功使用，民用缺乏相關標準。
有機液體儲氫利用某些不飽和有機物（如烯烴、炔烴或芳香烴）與氫氣進行可逆 加氫和脫氫反應，實現氫的儲存，加氫后形成的液體有機氫化物性能穩定，安全性高， 儲存方式與石油產品相似。但存在著反應溫度較高、脫氫效率較低、催 化劑易被中 間產物毒化等問題。國內已有燃料電池客車車載儲氫示范應用案例。
固體儲氫。固態儲氫是以金屬氫化物、化學氫化物或納米材料等作為儲氫載體， 通過化學吸附和物理吸附的方式實現氫的存儲。
展開 樊栓獅等：動力學強化水合儲氫技術研究進展
Sugahara等將180 μm粉狀冰與固態THF相混合，制備0.54%～5.58%的固體混合物，在255 K、70 MPa下儲氫，Raman光譜分析顯示大籠中H
2的峰值強度隨著THF摩爾分數的進一步降低而增加，這種H
2占據水合物大籠的行為與Lee等人報道的“調諧效應”相似。但目前關于調諧效應仍存在爭議，如何使調諧效應更好地應用是今后需要重點關注的方向。
圖8總結了氫氣水合物強化技術對應的儲氫量和儲氫時間。靜態溶液體系低儲氫量(約0.03%)最低、儲氫時間(約700 min)最長。冰粉強化儲氫技術則具有較高的儲氫量，但儲氫速率較機械攪拌慢；多孔介質等則可顯著提高儲氫速率但儲氫量仍有不足，其中調諧效應具有最佳的儲氫量(約1.8%)和較短的儲氫時間(約120 min)。
圖8 不同強化技術下氫氣水合物儲氫量和儲氫時間的示意圖
3 結論與展望
利用水合物作為儲氫材料具有成本低、安全可靠等優勢，但儲氫密度和儲氫速率仍是未來需要解決的難點。傳統的提高驅動力、增大氣液接觸面積以及改善通道等動力學強化技術對水合物儲氫性能提升均有一定的作用，但不同的強化技術產生的促進效果不同。目前單一的促進手段仍不能很好地從根本上解決水合物儲氫所面臨的問題。基于水合物成核生長動力學理論和已有的研究成果，未來水合物儲氫可從以下幾方面開展研究。
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（2）金屬基復合材料
范同祥、李建國、孫祖慶等人采用熱力學、動力學模型，在復合材料增強相與基體界面反應控制、反應自生增強相種類選擇、復合材料體系設計以及制備工藝等方面做了大量研究[5]。
（3）
納米材料
2000年，美國亞利桑那州立大學的Chamberlin在研究鐵磁體的臨界行為時用到納米熱力學（Nanothermodynamics）一詞，Giebultowica、Hill等人證明了納米熱力學在處理納米體系的生長和物理化學性能時的巨大作用，中國科學院大連化學物理研究所的譚志誠團隊在納米材料低溫熱容方面也做了大量研究[6]。
（4）形狀記憶合金
Lidija GOMIDZELOVIC等人采用Muggianu模型并結合實驗，使用Thermo-Calc軟件計算了形狀記憶合金Cu-Al-Zn在293K時的相圖，并探討了組織性能[7]。
此外，在Mg基儲氫材料、石墨烯界面及其吸附性能都有熱力學計算機模擬的相關應用。
展開 利用原子選擇性占位提高超晶格儲氫合金結構穩定性
[A2B4]和[AB5]亞晶格延c軸方向堆垛而成(圖1(a))，兼具了AB2結構的高容量和AB5結構的高催化性能，被認為是一類極具潛力的新型稀土儲氫材料。
氫氣傳感器用于加氫站的H2 泄露報警檢測
儲存系統
根據氫的3種不同狀態，可將儲氫方式分為高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫和固態材料儲氫3類。目前全球加氫站普遍采用前2種儲氫方式。
高壓氣態儲氫簡單易行、成本低、相對成熟、充放氣速度快，是一種較為成熟的儲氫方式。因此，也是加氫站中采用最多的儲氫方式。國內加氫站常用2種儲氫裝置：儲氫罐和儲氫瓶組。在GB 50516—2010中，推薦加氫站選用同一規格的固定式儲氫罐或儲氣瓶組，并應符合國家現行標準《鋼制壓力容器——分析設計標準》的有關規定。在安全規定方面，要求儲氫系統設置：安全泄壓裝置；氫氣放空管及切斷閥和取樣口；壓力測量儀表、壓力傳感器；泄漏報警裝置；氮氣吹掃置換接口；儲氣瓶組臥式存放及距離不小于1.5m；設置安全防護欄或其他防撞措施等。
與高壓氣態儲氫相比，低溫液態儲氫具有體積密度高和儲氫量大等優點。在常溫常壓下，液態氫的密度是氣態的845倍。因此，對于氫氣需求量比較大的加氫站，采用液態儲氫是一種不錯的方式，也是加氫站發展重要方向之一。在GB 50516—2020的征求意見稿中意見亦已增加了液氫儲存相關技術的標準和要求。
ISO 19880-1對于氣氫儲存系統，未有明確對儲氫容器的使用種類提出建議或要求，但要求每一組儲氫容器例如當使用儲氫鋼瓶或長管拖車儲存氫氣時，都應配置一套獨立的安全裝置，包括熱屏蔽系統、排氣系統、手動或自動的分離閥等。另外，也對儲存容器布置場所提出安全要求：地面放置時應擺放在戶外，擺放儲存容器的地基應采用阻燃材料；地下室放置時，要求墻體高于儲存容器，且應保證通風以防氫氣泄漏；要求氫氣系統的屋頂設有提供維護人員施工的工作平臺，要求防火防爆防過壓等。
加注系統
加氫站的加注系統由單臺或多臺加氫機構成，加氫機是燃料電池汽車加注氫燃料的核心設備，加注壓力是其主要參數。
展開 庭田科技攜手某新媒體平臺Cadfil軟件助力高壓儲氫氣瓶纖維纏繞技術
而氫燃料電池汽車的關鍵部件之一便是高壓儲氫氣瓶，它的技術水平直接影響著汽車的續航能力。
1.2 庭田科技與某新媒體平臺的合作
庭田科技作為Cadfil在中國的總代理，始終致力于為國內企業提供最先進的氫能相關技術。近期，庭田科技與某新媒體平臺達成合作，共同推廣和普及基于Cadfil軟件的儲氫高壓復合材料氣瓶纖維纏繞技術。為了讓更多行業內人士了解并掌握這一技術，庭田科技將與某新媒體臺共同舉辦線上公開課。
1.3 課程內容介紹
庭田科技邀請到了Cadfil軟件專家（高級攻城獅）為大家講解這一技術。在這次公開課中，Cadfil軟件專家將為大家詳細介紹IV型高壓儲氫氣瓶的結構及應用，以及如何利用Cadfil軟件進行氣瓶纖維纏繞仿真。課程內容將涵蓋以下幾個方面：
1）IV型高壓儲氫氣瓶的結構與特點
2）纖維纏繞技術在儲氫氣瓶上的應用
3）Cadfil纖維纏繞軟件的功能及應用領域
4）基于Cadfil軟件的氣瓶纖維纏繞仿真實例演示
圖一 典型IV型高壓儲氣瓶結構示意圖
1.4 課程收益與合作展望
參與這次線上公開課的企業和個人將在Cadfil軟件專家的指導下，學習到實用的纖維纏繞技術和Cadfil軟件操作技巧，深入了解纖維纏繞技術在高壓儲氫氣瓶制造中的關鍵作用，以及如何利用Cadfil軟件進行高效、精確的纏繞仿真，更好地掌握IV型高壓儲氫氣瓶的設計與制造技巧，這將有助于提高企業在氫能產業的競爭力，為氫能產業的發展提供強大技術支持。
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